1.前言
目前的項目，對電流的需求顯著增加，但整體解決方案尺寸還要求繼續(xù)縮小。為了適應，我們可以減小降壓轉換器的尺寸，但它仍然必須能夠處理電子系統(tǒng)中不斷增加的功耗。優(yōu)化布局以提高降壓轉換器的效率將減少為系統(tǒng)供電所需的電力。
許多電子系統(tǒng)需要多個降壓轉換器來為不同的電源軌供電。某些系統(tǒng)可能需要兩個或更多轉換器來為具有高電流需求的單軌供電。設計一個更小的降壓轉換器來滿足這一需求的挑戰(zhàn)成為一項艱巨的任務，但它是可能的。
新技術和工藝現(xiàn)已到位，使集成電路 (IC) 設計人員能夠設計單路輸出可處理高達 40A 的降壓轉換器。但是，此功能引入了其他問題。一種是印刷電路板 (PCB) 布局。我們可以在考慮到空間限制的情況下設計最佳降壓轉換器和功率級，但如果我們未能正確布置 PCB，一切都將丟失。
由于每個輸出的電流為 40A，PCB 布局對于散熱和效率至關重要。如果不優(yōu)化電路板設計，40A時的直流損耗會因為流銅區(qū)電阻較高而大幅增加。因此，在這篇文章中，我將解釋覆銅區(qū)域、通孔尺寸和數量以及多層電路板上的電流回路路徑的重要性。
2.覆銅區(qū)
如果知道銅的截面積（厚×寬）、長度和電阻率，就可以計算出銅走線、銅平面或澆銅的電阻。借助這些數據，我們可以確定銅的尺寸以優(yōu)化 PCB 的散熱、效率和信號完整性性能。具有多個埋銅層的多層板通過通孔連接到頂層或底層，也有助于將熱量從 IC 上散發(fā)出去。圖 #1 顯示了開關節(jié)點區(qū)域之間的效率差異。修改后的開關節(jié)點面積比原來的大，降低了直流損耗。
圖 1：修改后的開關節(jié)點區(qū)域顯示尺寸增加與原始開關節(jié)點區(qū)域的對比
PCB走線或PCB上的銅導體，可在PCB表面?zhèn)鲗盘枴Ｎg刻后留下的是銅箔的狹窄部分，流過銅線的電流會產生大量的熱量。正確校準后的PCB走線寬度和厚度有助于最大程度地減少電路板上的熱量積聚。走線寬度越寬，對電流的阻抗越低，并且熱量積聚越少。PCB走線寬度是走線的水平尺寸，而厚度是走線的垂直尺寸。
PCB的設計始終從默認走線寬度開始。但是，這樣的默認走線寬度并不總是適合于所需的PCB。這是因為我們需要考慮走線的電流承載能力來確定走線寬度。
確定正確的走線寬度時，需要考慮幾個因素：
1. 銅層厚度–銅層厚度是PCB上的實際走線厚度，大電流PCB的默認 銅厚度為1盎司（35微米）到2盎司（70微米）。
2. 2.導線的截面積–要想PCB具有更高的功率，就要讓走線具有更大的截 面積，這與走線寬度成正比。
3.跡線的位置–底層或頂層或內層。
3.過孔尺寸和數量
當過孔將兩條走線或平面連接在一起時，它們就構成了串聯(lián)電阻元件。通常，多個過孔并聯(lián)會降低有效電阻。就像扁平銅的面積和厚度一樣，通孔具有有限的電阻。因此，我們必須優(yōu)化過孔的數量和尺寸，以優(yōu)化轉換器設計的熱性能和效率。
圖#2 和#3 代表具有相同設置和布局的兩個 PCB。唯一的區(qū)別是 IC 散熱墊上的通孔數量。
圖#2：在散熱墊下有 11 個過孔的 PCB
*S2（站點 2）：IC 上集成 FET 的位置
圖 #3：在散熱墊下有 35 個過孔的 PCB
4.電流回路
我們還需要優(yōu)化降壓轉換器中高側場效應晶體管 (FET) 和低側 FET 的每個交替工作狀態(tài)之間的電流回路路徑。我們的優(yōu)化應包括回路的距離和載流能力。正確規(guī)劃 IC 引出線設計也成為 PCB 布局過程中的一個因素。我們應該盡可能地減少電流回路面積。
隨著半導體技術和工藝的不斷發(fā)展，我們正在將更多的硅封裝到同一個封裝中，以實現(xiàn)更高額定電流的轉換器設計。例如，考慮具有自適應內部補償和集成 NexFET? MOSFET 的新型 40A SWIFT? TPS543C20 同步降壓轉換器。然而，基本問題仍然是如何優(yōu)化設計，以便我們不損害熱性能和效率。希望這篇文章能幫助我們正確創(chuàng)建更小尺寸的真正 40A 電源設計。
